[論文レビュー] Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Networks

Hyunsgsik Ju, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 57

ひとこと要約

本稿は、無線電力通信ネットワーク（WPCNs）における「収穫次第送信」プロトコルを提案する。ハイブリッドアクセスポイント（H-AP）がまずユーザーに無線エネルギーをブロードキャストし、ユーザーは収集したエネルギーを用いてTDMAを介して情報を送信する。主な貢献は、『二重近距離遠距離問題』の同定であり、遠方ユーザーはダウンリンクチャネル状態が悪いため上行リンク送信に高い送信電力を要し、結果としてレート割り当てが不平等になる。これを是正するため、等レート供給を伴う共通スループット最大化フレームワークを導入し、閉形式解を有する凸最適化により解ける。

ABSTRACT

This paper studies the newly emerging wireless powered communication network (WPCN) in which one hybrid access point (H-AP) with constant power supply coordinates the wireless energy/information transmissions to/from distributed users that do not have energy sources. A "harvest-then-transmit" protocol is proposed where all users first harvest the wireless energy broadcast by the H-AP in the downlink (DL) and then send their independent information to the H-AP in the uplink (UL) by time-division-multiple-access (TDMA). First, we study the sum-throughput maximization of all users by jointly optimizing the time allocation for the DL wireless power transfer versus the users' UL information transmissions given a total time constraint based on the users' DL and UL channels as well as their average harvested energy values. By applying convex optimization techniques, we obtain the closed-form expressions for the optimal time allocations to maximize the sum-throughput. Our solution reveals "doubly near-far" phenomenon due to both the DL and UL distance-dependent signal attenuation, where a far user from the H-AP, which receives less wireless energy than a nearer user in the DL, has to transmit with more power in the UL for reliable information transmission. Consequently, the maximum sum-throughput is achieved by allocating substantially more time to the near users than the far users, thus resulting in unfair rate allocation among different users. To overcome this problem, we furthermore propose a new performance metric so-called common-throughput with the additional constraint that all users should be allocated with an equal rate regardless of their distances to the H-AP. We present an efficient algorithm to solve the common-throughput maximization problem. Simulation results demonstrate the effectiveness of the common-throughput approach for solving the new doubly near-far problem in WPCNs.

研究の動機と目的

• バッテリーの交換が不実用な、特に遠隔地や危険な環境におけるエネルギー制約付きの無線ネットワークの課題に対処すること。
• ハイブリッドアクセスポイント（H-AP）からのRFエネルギー収集を活用して、無線電力通信ネットワーク（WPCNs）における持続的運用を可能にするプロトコルの設計。
• ダウンリンクおよびアップリンクチャネルにおける路損失を考慮し、時間的およびエネルギー的制約のもとで上行リンク情報伝送の合計スループットを最大化すること。
• 合計スループット最大化に起因する本質的な不平等性に対処すること。遠方ユーザーはダウンリンクでのエネルギー受信が悪く、かつアップリンクでの送信電力要件が高いため、不利になる。
• 距離にかかわらずすべてのユーザーが等しいデータレートを達成できるようにする共通スループット指標を提案することにより、WPCNsにおける公平なリソース割り当てを実現すること。

提案手法

• H-APがまずダウンリンク（DL）で無線エネルギーをブロードキャストし、その後ユーザーがTDMAを介してアップリンク（UL）で情報伝送を行う『収穫次第送信』プロトコルを提案する。
• 全時間制約のもとで、エネルギー伝送用のダウンリンク時間と情報伝送用のアップリンク時間の両方を同時に最適化する。
• 凸最適化技術を用いて合計スループット最大化問題を解き、最適な時間割り当ての閉形式表現を導出する。
• 『二重近距離遠距離現象』を同定する。遠方ユーザーはダウンリンクでエネルギーをあまり受信せず、アップリンクで高い送信電力を要するため、ビットあたりのエネルギーコストが高くなる。
• すべてのユーザーに等レート制約を課した共通スループット最大化問題を導入し、それを凸最適化問題に再定式化する。
• ラグランジュ双対性とKKT条件を用いて、効率的なアルゴリズムを構築し、一意の解を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的およびエネルギー的制約のもとで、無線電力通信ネットワークの合計スループットをどのように最大化できるか？
• RQ2 ダウンリンクおよびアップリンクチャネルにおける路損失が、WPCNsにおけるユーザーの公平性に及ぼす影響は何か？
• RQ3 従来の合計スループット最大化がなぜWPCNsで不平等なレート割り当てを引き起こすのか、そしてこの『二重近距離遠距離現象』の原因は何か？
• RQ4 全体のシステム性能を犠牲にすることなく、WPCNsで公平なレート割り当てを達成できるか？
• RQ5 エネルギー収集ユーザーを有するWPCNsにおいて、公平なスループット割り当てを効率的に計算するための最適化フレームワークは何か？

主な発見

• 合計スループット最大化問題は凸であるため、凸最適化技術により閉形式解が得られる。
• 最適な時間割り当てでは、遠方ユーザーに比べて近距離ユーザーに著しく長い時間割り当てがなされ、『二重近距離遠距離効果』により著しい不平等が生じる。
• 『二重近距離遠距離現象』は、遠方ユーザーがダウンリンクでエネルギーをあまり受信せず、かつアップリンクで高い送信電力を要するため発生し、ビットあたりのエネルギーコストが増加する。
• 共通スループット最大化フレームワークにより、すべてのユーザーが等しいデータレートを達成でき、合計スループット最大化に内在する公平性の欠如を是正できる。
• 共通スループット最大化のための提案アルゴリズムは効率的に収束し、最適解はラグランジュ双対性およびKKT条件を用いて導出される。
• シミュレーション結果により、共通スループットアプローチが二重近距離問題を効果的に緩和し、ユーザー間で公平で安定した性能を達成することが確認された。